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過電壓保護器又稱組合式避雷器，是最近十多年出現(xiàn)的專用于35kV以下成套柜內，就近與真空開關配套的過電壓限制設備。該設備以避雷器為基礎，但是使用條件和參數(shù)配置與常規(guī)的避雷器不同。常規(guī)避雷器多為戶外露天使用，干弧距離和爬電距離比較大，而防爆考慮比較簡單。相反，主要在柜內安裝的過電壓保護器，雖然沒有露天那么高的污穢耐受要求，但在狹小空間中的防爆能力一直是用戶關注的焦點。
該產(chǎn)品從出現(xiàn)依始，就面臨狹小空間中的防爆安全問題。我們知道避雷器是絕緣配合上的后備保護設備，是高幅值過電壓沖擊出現(xiàn)時的最后一道防線。絕緣配合設計的原則，是有后備設備的情況下，就可以降低其它所有電氣設備對過電壓的耐受能力，超過設備耐受能力以上的過電壓，全部交給后備保護設備來吸收。過電壓保護器核心工作原理和避雷器一樣，都是靠壓敏電阻在過電壓下阻值下降來打開對地能量瀉放通道。瀉放能量的同時，也是壓敏電阻本身的一個吸收能量發(fā)熱過程，一旦發(fā)熱超過可以承受的范圍，就會出現(xiàn)破裂，甚至爆開。產(chǎn)品的密封性能越理想，爆開時候的破壞性就越強，嚴重的時候有可能破壞成套柜體。每年因為這樣原因造成的事故都有通報，犧牲性能換用普通避雷器也無法徹底避免此類事故，因為避雷器也是同樣原理，同樣存在積累發(fā)熱導致爆裂的隱患，而在成套柜狹小空間這樣的爆裂是很難不波及周圍設備的。
理論上，滿足設計要求的過電壓保護器，持續(xù)發(fā)熱超過承受能力的情況很難出現(xiàn)，但是實際上的過電壓出現(xiàn)情況很復雜，某次很近的落雷，系統(tǒng)意外的諧波干擾等，都可能導致產(chǎn)品使用壽命嚴重下降，出現(xiàn)意外的發(fā)熱爆裂。而過電壓保護器又是附近各個設備公用的后備保護元件，哪一個設備出現(xiàn)故障，都會把沖擊傳導到過電壓保護器上，因此制造廠一般都無法提供出具體的產(chǎn)品安全使用壽命，只能是要求用戶一定時間維護檢測一次以防止已經(jīng)老化的產(chǎn)品帶病運行。
為了解決這個問題，最初設想采用線路用避雷器免維護的常規(guī)做法，就是串聯(lián)脫離器。脫離器是一個特殊的熔斷裝置，可以適合與避雷器串聯(lián)使用。當避雷器被持續(xù)電流沖擊發(fā)熱的時候，脫離器及時動作，分離為兩部分，其中一部分失去支撐，在重力作用下跌落，就可將避雷器和系統(tǒng)完全分離到足夠的安全距離，不會出現(xiàn)避雷器的爆裂事故。可是這個方式對柜內狹小空間是不適用的，因為脫落的部分很難判斷會掉到什么地方，一旦掉落在不等電位的地方，就是一個短路事故；而一旦掉落部位離某相過近，又可能成為弧光接地故障源。目前實踐上依然有企業(yè)采用此方案，在產(chǎn)品外面加裝阻擋裝置，以引導斷裂的脫離器殘體只向某一個危害小的方向掉落。雖然理論上這個做法可行，但是需要成套柜的安裝企業(yè)嚴格按過電壓保護器這個配件的說明書仔細布置柜內走線方式，操作起來難度很大。
另一種常用的方案，是將過電壓保護器自帶的高壓引出電纜內部導線做細，利用導線自身的載流量極限來切斷過大的沖擊電流，防止保護器爆裂。這個也是保護器一般會明確標志“禁止提吊電纜”的起因，表面上很粗的電纜，內部導電體做得很細，如果搬運和安裝的時候提吊，就可能導致電纜斷裂。這個辦法一度很流行，因為可以比較簡單的進行生產(chǎn)工藝控制，但是實踐中的效果不是很理想。細的導線對積累的持續(xù)小電流不敏感，反而是對瞬間的大沖擊敏感，這個工作特性與過電壓保護器的保護原則相違背。瞬間大電流出現(xiàn)時，正是需要產(chǎn)品工作的時候，此時過早熔斷，產(chǎn)品的大電流保護作用蕩然無存。而主要導致爆裂事故的積累老化情況，由于是持續(xù)的小電流，導線不敏感不熔斷，無法真的自動分離已經(jīng)劣化的過電壓保護器，無法真的解決問題。
上述脫離模式這兩年有了改進型，在產(chǎn)品三相高壓絕緣線下端直接安裝帶滅弧材料銅絲，把熔斷部分和保護器的閥片直接做到一起，而將放電間隙安裝在過去比較空的絕緣底座中。這樣的做法有一些優(yōu)點，比如可以減少安裝搬運時電纜意外斷裂的情況，可以在具有熔斷功能的前提下不增加產(chǎn)品高度有利安裝。但是從核心上說，這個做法依然無法避免熔斷體工作特性與過電壓保護器保護原則違背的難題，積累老化出現(xiàn)的時候不熔斷，在瞬間大電流沖擊需要保護的時候熔斷。這樣既犧牲了產(chǎn)品性能，又沒有根本解決爆裂問題。而且在有了這種熔斷體改進后，部分廠家傾向把閥片做小，認為不再需要那么大的通流容量，我們認為這是不妥的，最終只會導致兩個極端。要么熔斷體細到一有電流就熔斷，產(chǎn)品根本不起保護作用；要么熔斷體持續(xù)小電流下依然不熔斷，而閥片通流能力又做小了，依然會爆裂。不過由于閥片小了很多，就算爆裂威力也會小一些，對成套柜的安全也是有一定積極意義的。
我公司技術部總結多年過電壓保護類產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，結合戶外脫離器的運行反饋，對柜內過電壓保護器的脫離裝置做了如下改型。不在三相絕緣線下部安裝熔斷體，改在底座放電間隙旁邊并聯(lián)電阻器，同時在放電間隙電極上串聯(lián)熱爆管，熱爆管發(fā)熱達到一定程度爆開脫離。
放電間隙的距離計算取0.5～3 mm，在確定放電間隙的距離值后，通過結構設計來調控電極與熱爆管間的熱傳遞量，從而實現(xiàn)脫離裝置耐受特性與動作特性間的統(tǒng)一。
脫離裝置動作的起始工頻電流值設定為0.5~1A。保護器在持續(xù)運行電壓作用下，若流過閥片的工頻電流達數(shù)十毫安時，就開始了其不可逆轉的老化，達到數(shù)百毫安時，老化速度明顯加快。因此設置電流略大于此范圍，可以在閥片熱崩潰以前脫離防止閥片爆裂。
為使脫離器能在0.5 A工頻故障電流下可靠動作，電阻器的阻值設定為1.5kΩ。小的工頻故障電流不擊穿間隙，全部流經(jīng)電阻器，由電阻器作為熱源來加熱熱爆管，實現(xiàn)在小工頻故障電流下的可靠動作；而大的工頻故障電流在電阻器上的壓降則使放電間隙擊穿放電，由間隙作為熱源使熱爆管升溫，從而也能在持續(xù)大電流下迅速動作。另一方面，需要保護器起作用的雷電及操作沖擊電流，在電阻器上的作用時間過短，發(fā)熱量小，尚不足以使脫離裝置動作。
由于是柜內使用，脫離后沒有比較大的分離空間，所以采用彈簧預壓緊方式，使脫離體盡可能分離并自動注入滅弧材料，試驗中完全可以滿足10kV及以下的電力絕緣要求。35kV產(chǎn)品目前還在脫離后的安全絕緣距離上進行改進，改進方案已進入試驗階段。
脫離裝置的動作安秒特性與戶外避雷器脫離器相似，可比較有效的實現(xiàn)少維護，防止破壞柜內設備的目的。這個做法也不犧牲保護器閥片通流能力，可以依據(jù)通流能力設計熔斷電流，實現(xiàn)比較重要場所安裝大容量保護器進行有效過電壓保護，不再采用搞個小直徑閥片對付一下的思路。
最后，有些成套柜生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)安裝經(jīng)驗，采用降低成套柜高壓側密封性能，增加排氣孔減少爆裂威力的辦法，實踐證明是有一定效果的，建議繼續(xù)采用。通過這些手段，我們有理由相信，今后柜內過電壓類設備的爆裂危害將基本上根除。
參考文獻
1、DL/T 620—1997, 交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合［S］.
2、GB 11032—2000，交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.
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